海面的光傳輸衰減分析

摘 要： 本文分別通過采用反射率直接計算海面對光的能量衰減，以及采用蒙特卡羅（Monte Carlo）方法模擬海面對光的能量衰減，并對兩種方法進行了對比。對比結(jié)果顯示，方法考慮的參數(shù)不同，海面的衰減會產(chǎn)生較大差別，所以大氣對水下激光傳輸?shù)哪芰克p不是簡單的相加關(guān)系，而應(yīng)該結(jié)合全鏈路對能量衰減進行分析。

關(guān)鍵詞： 海面 能量衰減 反射率 蒙特卡羅

1.引言

雖然海洋覆蓋了地球的大部分表面，但是普遍的海洋領(lǐng)域仍然是未開發(fā)的，尤其是激光在海面中的通信領(lǐng)域[1]。水下激光通信是利用海水對藍綠激光所具有的低損耗窗口，依靠大氣、海面和海水作為光信道，實現(xiàn)水上（飛機或衛(wèi)星等）對水下接收目標的激光通信[2]。大量研究表明，激光通信具有工作頻率高、通信頻帶寬、數(shù)據(jù)傳輸能力強，波束寬度窄、方向性好，所需設(shè)備輕小，保密性好、抗干擾能力強，受電磁及核輻射的影響小等特點，因其潛在的水下通信優(yōu)勢，成為一個迅速發(fā)展的領(lǐng)域[3]。

海面作為水下激光通信的一個重要組成部分，其隨機性和不穩(wěn)定性，是當今激光通信領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸之一。杜竹峰利用能量傳輸方程對機載激光水下接收信號衰減進行了分析，結(jié)論顯示信號衰減與通信時的信道狀況是密切相關(guān)的，并且在各衰減項中，接收天線面積與光脈沖在水下接收平面的光斑面積之比是影響最大的，而海面是影響水下接收平臺接收平面光斑面積的最主要因素之一[4]。詹恩奇等人考慮自然光和海水浮游生物等產(chǎn)生的背景輻射及云層、海面和海水等介質(zhì)的光輻射透過率，利用星載激光對潛通信能量方程估算了潛艇接收信號能量衰減大約可達-112至-140dB，并利用Monte Carlo方法計算星載激光對潛通信水下接收光斑分布狀況[5]。

本文主要通過反射率直接計算不同風(fēng)速的能量衰減，同時采用蒙特卡羅方法分析海面在不同風(fēng)速的情況下，對光脈沖傳輸?shù)哪芰克p進行計算，研究能量衰減對于激光器工作模式及功率等參數(shù)的選擇具有重要指導(dǎo)價值。

2.通過反射率計算功率衰減

海面功率衰減Q是通過下式計算得出[6]。

4.兩種計算海面衰減方法比較

表2對上述兩種方法進行了比較。

從上表可以看出，蒙特卡羅方法計算海面衰減數(shù)值較功率衰減模型更大，這是因為蒙特卡羅方法考慮了衰減系數(shù)、光斑面積及海水透射率等參數(shù)，而功率衰減模型只考慮了海面的反射率，光斑面積應(yīng)是大氣、海面和海水三者共同影響的，本文的蒙特卡羅方法中受到大氣和海水方面的衰減很小，實際過程中還應(yīng)當除去大氣和海水對光斑帶來的影響，所以大氣激光對水下接收平臺的能量衰減不是簡單的相加關(guān)系，而應(yīng)當全面考慮全鏈路分析能量衰減。

5.結(jié)語

本文首先通過反射率直接計算不同風(fēng)速的能量衰減，其次采用蒙特卡羅方法模擬海面在不同風(fēng)速情況下的能量衰減。通過這兩種方法的統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，通過不同參量分析海面對光的衰減，所得到的結(jié)果相差較大，在相同的風(fēng)速下，兩者的差值在30dB左右。故在分析大氣對水下激光通信時，信道的各個組成部分對全鏈路會產(chǎn)生的影響是相互聯(lián)系的，分析大氣對水下激光通信不能單一地考慮某個信道參量，而需要聯(lián)系整個通信鏈路才能更好地分析能量衰減。

參考文獻：

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[3]Sodnik Z，F(xiàn)urch B，Lutz H.Optical inter-satellite communication[J].IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，2010，16（5）：1051-1057.

[4]杜竹峰，黃鐵俠，盧益民.激光對潛通信的信號能量傳遞計算.華中理工大學(xué)學(xué)報，1997，25（8）：66-68.

[5]詹恩奇，王宏遠.光在大氣和海水信道中傳輸?shù)哪芰克p計算.武漢大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2009，42（4）：528-531.

[6]鐘曉春，李源慧，激光在海水中的衰減特性[J]，電子科技大學(xué)學(xué)報，2010，39（4）：574-577.

[7]Alimonte D，Zibordi G，Kajiyama T，Cunha J，Monte Carlo code for high spatial resolution ocean color simulations[J].Applied Optics，2010，49（26）：4936-4950.